(57)【要約】【課題】  高い発電性能を長期にわたって維持することができる固体高分子型燃料電池を提供する。【解決手段】  前記触媒層を、クラックを有しない触媒層（１）（１２１ａ、１２１ｃ）と、クラック（１２３ａ、１２３ｃ）を有する触媒層（２）（１２２ａ、１２２ｃ）とが積層されてなり、セパレータ（１４０ａ、１４０ｃ）におけるガス流路（１４１）の入口側から出口側に向かって、前記触媒層（１２０ａ、１２０ｃ）に含まれる触媒粒子の平均粒子径が大きくなりかつカーボン担体の結晶性が高くなる固体高分子型燃料電池（１５０）である。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の両側に一対の触媒層が配置されてなる膜電極接合体が、ガス流路を有するセパレータにより挟持されてなり、
前記触媒層は、カーボン担体に触媒粒子が担持された電極触媒と、固体高分子電解質とを少なくとも含む固体高分子型燃料電池であって、
前記触媒層のうちの少なくとも一方は、前記固体高分子電解質膜と接触しかつクラックを有しない触媒層（１）と、クラックを有する触媒層（２）とが、前記膜電極接合体の厚さ方向に積層されてなり、
前記触媒層（１）および前記触媒層（２）のうちの少なくとも一方は、前記触媒粒子の平均粒子径が前記ガス流路の入口側から出口側に向かって大きくなり、かつ、前記カーボン担体の結晶性が前記ガス流路の入口側から出口側に向かって高くなる固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
前記触媒層（２）の空隙率が、前記触媒層（１）の空隙率の１．５〜３．０倍である請求項１記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
前記触媒層に含まれる前記触媒粒子の平均粒子径が、さらに、前記セパレータ側から前記固体高分子電解質膜側に向かって大きくなる請求項１または２に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
前記触媒層（２）は、入口側触媒層（２−１）および出口側触媒層（２−２）が前記膜電極接合体の面方向に配置されてなり、
前記入口側触媒層（２−１）に含まれる前記触媒粒子の平均粒子径が２〜４ｎｍであり、前記出口側触媒層（２−２）に含まれる前記触媒粒子の平均粒子径が２．５〜５ｎｍである請求項１〜３のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
前記触媒層（１）は、入口側触媒層（１−１）および出口側触媒層（１−２）が前記膜電極接合体の面方向に配置されてなり、
前記入口側触媒層（１−１）に含まれる前記触媒粒子の平均粒子径が２．５〜５ｎｍであり、前記出口側触媒層（１−２）に含まれる前記触媒粒子の平均粒子径が４〜６ｎｍであり、
前記触媒粒子の平均粒子径は、前記入口側触媒層（１−１）よりも前記出口側触媒層（１−２）の方が大きく、前記入口側触媒層（２−１）よりも前記入口側触媒層（１−１）の方が大きく、前記入口側触媒層（２−１）よりも前記入口側触媒層（２−２）の方が大きく、前記出口側触媒層（２−２）よりも前記出口側触媒層（１−２）の方が大きい請求項１〜４のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項６】
固体高分子電解質膜の両側に一対の触媒層が配置されてなる膜電極接合体が、ガス流路を有するセパレータにより挟持されてなり、
前記触媒層は、カーボン担体に触媒粒子が担持された電極触媒と、固体高分子電解質とを少なくとも含み、
前記触媒粒子は、白金粒子および白金合金粒子を含む固体高分子型燃料電池であって、
前記触媒層のうちの少なくとも一方は、前記固体高分子電解質膜と接触しかつクラックを有しない触媒層（１）と、クラックを有する触媒層（２）とが、前記膜電極接合体の厚さ方向に積層されてなり、
前記触媒層（１）および前記触媒層（２）のうちの少なくとも一方は、前記白金合金粒子の含有率が前記ガス流路の入口側から出口側に向かって高くなり、かつ、前記カーボン担体の結晶性が前記ガス流路の入口側から出口側に向かって高くなる固体高分子型燃料電池。
【請求項７】
前記触媒層（２）の空隙率が、前記触媒層（１）の空隙率の１．５〜３．０倍である請求項６記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項８】
前記触媒層に含まれる前記白金合金粒子の平均粒子径が、さらに、前記セパレータ側から前記固体高分子電解質膜側に向かって大きくなる請求項６または７に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項９】
前記触媒層（２）は、入口側触媒層（２−１）および出口側触媒層（２−２）が前記膜電極接合体の面方向に配置されてなり、
前記入口側触媒層（２−１）に含まれる前記触媒粒子中の前記白金合金粒子の含有率が２０質量％未満であり、前記出口側触媒層（２−２）に含まれる前記触媒粒子中の前記白金合金粒子の含有率が１０〜５０質量％であり、
前記触媒粒子中の前記白金合金粒子の含有率が、前記入口側触媒層（２−１）よりも前記出口側触媒層（２−２）の方が高い請求項６〜８のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１０】
前記触媒層（１）は、入口側触媒層（１−１）および出口側触媒層（１−２）が前記膜電極接合体の面方向に配置されてなり、
前記入口側触媒層（１−１）に含まれる前記触媒粒子中の前記白金合金粒子の含有率が１０〜５０質量％であり、前記出口側触媒層（１−２）に含まれる前記触媒粒子中の前記白金合金粒子の含有率が３０〜１００質量％であり、
前記触媒粒子中の前記白金合金粒子の含有率が、前記入口側触媒層（１−１）よりも前記出口側触媒層（１−２）の方が高く、前記入口側触媒層（２−１）よりも前記入口側触媒層（１−１）の方が高く、前記出口側触媒層（２−２）よりも前記出口側触媒層（１−２）の方が高い請求項６〜９のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１１】
前記触媒層に含まれる前記カーボン担体の結晶性が、さらに、前記セパレータ側から前記固体高分子電解質膜側に向かって高くなる請求項１〜１０のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１２】
前記カーボン担体の結晶性は、前記カーボン担体のグラファイト化により調整する請求項１〜１１のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１３】
前記触媒層（２）は、入口側触媒層（２−１）および出口側触媒層（２−２）が前記膜電極接合体の面方向に配置されてなり、
前記入口側触媒層（２−１）に含まれる前記カーボン担体の比表面積が４００〜１２００ｍ２／ｇであり、前記出口側触媒層（２−２）に含まれる前記カーボン担体の比表面積が２００〜９００ｍ２／ｇであり、
前記カーボン担体の比表面積は前記入口側触媒層（２−１）よりも前記出口側触媒層（２−２）の方が小さい請求項１〜１２のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１４】
前記触媒層（１）は、入口側触媒層（１−１）および出口側触媒層（１−２）が前記膜電極接合体の面方向に配置されてなり、
前記入口側触媒層（１−１）に含まれる前記カーボン担体の比表面積が２００〜９００ｍ２／ｇであり、前記出口側触媒層（１−２）に含まれる前記カーボン担体の比表面積が７０〜２５０ｍ２／ｇであり、
前記カーボン担体の比表面積は、前記入口側触媒層（１−１）よりも前記出口側触媒層（１−２）の方が小さく、前記入口側触媒層（２−１）よりも前記入口側触媒層（１−１）の方が小さく、前記出口側触媒層（２−２）よりも前記出口側触媒層（１−２）の方が小さい請求項１〜１３のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１５】
前記触媒層に含まれる固体高分子電解質の含有量が、前記セパレータ側から前記固体高分子電解質膜側に向かって高くなる請求項１〜１４のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１６】
前記触媒層（２）の厚さは、前記触媒層（１）の厚さ以上である請求項１〜１５のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１７】
前記触媒層（２）の厚さは、前記触媒層（１）の厚さに対して１．５〜３．０倍である請求項１〜１６のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池を搭載する自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池に関し、より詳細には、固体高分子型燃料電池の触媒層の改良技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電源の一つとして燃料電池が注目されている。燃料電池とは、水素やメタノールなどの燃料の酸化により発電する装置をいう。燃料電池の発電効率は非常に高い。また、水素を燃料として用いる燃料電池からの排出物は水であり、地球環境保護の観点からも、非常に有用な電源である。
【０００３】
燃料電池としては、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、リン酸型燃料電池など、各種燃料電池が提案されている。この中では、固体高分子型燃料電池は、比較的低温で作動可能であることから、自動車等の移動体用動力源として期待され、開発が進められている。
【０００４】
固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池、ＰＥＦＣとも呼ばれ、プロトン伝導性の固体高分子電解質を用いた燃料電池である。ＰＥＦＣは、プロトン伝導性の固体高分子電解質膜の両側に、発電反応を促進する電極触媒を含む一対の触媒層、すなわち酸素極触媒層および燃料極触媒層が形成された膜電極接合体を有する。さらに、触媒層の外側には、ガス拡散層およびセパレータなどが配置される。セパレータの触媒層側表面には、ガスが流通するガス流路が形成され、発電反応に用いられるガスはガス流路およびガス拡散層などを拡散して触媒層に供給される。また、発電反応に伴い生成した水は、ガス拡散層およびガス流路などを経て、ＰＥＦＣの外部に排出される。
【０００５】
触媒層には、カーボン担体に触媒粒子が担持されてなる電極触媒の他に、プロトン伝導性の固体高分子電解質が含まれる。従来の触媒層では、固体高分子電解質がバインダーの役割を果たし、電極触媒の凝集体により空孔が形成された多孔質構造を有していた。
【０００６】
かようなＰＥＦＣでは、以下のような発電反応が進行する。まず、燃料極側に供給された燃料ガスに含まれる水素は、触媒粒子により酸化され、プロトンおよび電子となる（２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−）。次に、生成したプロトンは、燃料極触媒層に含まれる固体高分子電解質、さらに燃料極触媒層と接触している高分子電解質膜を通り、酸素極触媒層に達する。また、燃料極触媒層で生成した電子は、燃料極触媒層を構成しているカーボン担体、さらに燃料極触媒層の高分子電解質膜と異なる側に接触しているガス拡散層、セパレータおよび外部回路を通して酸素極触媒層に達する。そして、酸素極触媒層に達したプロトンおよび電子は酸素極側に供給されている酸化剤ガスに含まれる酸素と反応し水を生成する（Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ）。燃料電池では、上述した発電反応を通して、電気を外部に取り出すことが可能となる。
【０００７】
前記発電反応は、触媒粒子と、固体高分子電解質と、供給されたガスとが接触する三相界面において生じる。従って、三相界面の形成量が高く、高い出力電圧が得られる燃料電池とするためには、触媒層において反応ガスを十分に拡散させるための多孔質構造をできるだけ緻密に作製するのが一般的である。しかしながら、緻密な多孔質構造を有する触媒層では、特に厚み方向のガス拡散性が低下する問題があった。
【０００８】
この問題を解決する技術としては、触媒層面内に、意図的にガス拡散性を向上させるためのクラックを設けて、反応ガスの流通経路を確保する技術が提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−２７０１８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ＰＥＦＣは、コストとともに電池の寿命が問題となっている。電池の寿命としては、自動車で５０００時間、家庭用では４万時間ともいわれ、長期にわたって高い発電性能を維持することが求められている。
【００１０】
しかしながら、上記特許文献１に記載のＰＥＦＣでは、触媒層に形成されたクラックによりカーボン担体間の接触が絶たれて電子移動パスが減少し、触媒層の電子移動抵抗が増大する。そのため、ＰＥＦＣの出力電圧を十分に向上させるのは困難であった。
【００１１】
また、上記特許文献１などの従来のＰＥＦＣでは、起動停止の繰り返しによってカーボン担体が腐食して触媒層の多孔質構造が破壊される問題があった。カーボン担体の腐食は、触媒層中に存在する水を酸化剤として二酸化炭素を生成する電気化学的な酸化反応（Ｃ＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−）によって生じる。カーボン担体の腐食により多孔質構造が破壊すると触媒層のガス拡散性及び排水性が低下して濃度過電圧が増大し、電池特性が低下する傾向がある。
【００１２】
さらに、起動時、停止時、および保管時などにおいてセル電圧が高電位環境に曝されることで、触媒層に含まれる触媒粒子の溶解・溶出が発生し、ＰＥＦＣの性能が劣化する問題があった。特に、負荷サイクルを伴う電池運転においてはカソード電位が大きく変化するため、酸素極触媒層に含まれる触媒粒子の溶解・溶出が顕著に発生し、触媒活性が経時的に低下してＰＥＦＣの出力電圧が劣化する原因となっている。
【００１３】
このように、従来のＰＥＦＣでは、カーボン担体の腐食、触媒粒子の溶解および溶出によって十分な耐久性がえられず、長期にわたって高い発電性能を維持することが困難であった。
【００１４】
そこで、本発明が目的とするところは、高い発電性能を長期にわたって維持することができる固体高分子型燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、以下の（１）および（２）の固体高分子型燃料電池によって上記課題を解決する。
【００１６】
（１）固体高分子電解質膜の両側に一対の触媒層が配置されてなる膜電極接合体が、ガス流路を有するセパレータにより挟持されてなり、
前記触媒層は、カーボン担体に触媒粒子が担持された電極触媒と、固体高分子電解質とを少なくとも含む固体高分子型燃料電池であって、
前記触媒層のうちの少なくとも一方は、前記固体高分子電解質膜と接触しかつクラックを有しない触媒層（１）と、クラックを有する触媒層（２）とが、前記膜電極接合体の厚さ方向に積層されてなり、
前記触媒層（１）および前記触媒層（２）のうちの少なくとも一方は、前記触媒粒子の平均粒子径が前記ガス流路の入口側から出口側に向かって大きくなり、かつ、前記カーボン担体の結晶性が前記ガス流路の入口側から出口側に向かって高くなる固体高分子型燃料電池。
【００１７】
（２）固体高分子電解質膜の両側に一対の触媒層が配置されてなる膜電極接合体が、ガス流路を有するセパレータにより挟持されてなり、
前記触媒層は、カーボン担体に触媒粒子が担持された電極触媒と、固体高分子電解質とを少なくとも含み、
前記触媒粒子は、白金粒子および白金合金粒子を含む固体高分子型燃料電池であって、
前記触媒層のうちの少なくとも一方は、前記固体高分子電解質膜と接触しかつクラックを有しない触媒層（１）と、クラックを有する触媒層（２）とが、前記膜電極接合体の厚さ方向に積層されてなり、
前記触媒層（１）および前記触媒層（２）のうちの少なくとも一方は、前記白金合金粒子の含有率が前記ガス流路の入口側から出口側に向かって高くなり、かつ、前記カーボン担体の結晶性が前記ガス流路の入口側から出口側に向かって高くなる固体高分子型燃料電池。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の固体高分子型燃料電池おいては、触媒層に含まれる触媒に、反応ガスが効率的に供給される。また、反応ガスを効率的に供給するための手段による、触媒層の電子移動抵抗の増大が最小限に抑制される。さらに、触媒層におけるカーボン担体の腐食および触媒粒子の溶出が効率的に抑制される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
まず、本発明の第一の固体高分子型燃料電池（単に「ＰＥＦＣ」とも記載する）を図１を用いて説明する。図１は、本発明の固体高分子型燃料電池１５０の断面模式図である。
【００２０】
膜電極接合体１００の中央には、高分子電解質膜１１０が配置される。固体高分子電解質膜１１０の燃料極側には触媒層１２０ａが配置され、触媒層１２０ａは固体高分子電解質膜１１０側に配置された、クラックが形成されていない触媒層（１）１２１ａと、セパレータ１４０ａ側に配置された、クラック１２３ａが形成された触媒層（２）１２２ａとからなる。一方、高分子電解質膜１１０の酸素極側にも、触媒層１２０ｃが配置され、燃料極側と同様に、触媒層１２０ｃは、高分子電解質膜１１０側に配置された、クラックが形成されていない触媒層（１）１２１ｃと、セパレータ１４０ｃ側に配置された、クラック１２３ｃが形成された触媒層（２）１２２ｃとからなる。
【００２１】
固体高分子型燃料電池１５０は、膜電極接合体１００の両側を、さらに二枚のセパレータ１４０ａ、１４０ｃで挟持された構造を有する。セパレータ１４０ａ、１４０ｃは、水素を含む燃料ガスまたは酸素を含む酸化剤ガスなどの外部から供給されるガスを触媒層１２０ａ、１２０ｃに供給させるためのガス流路１４１を有する。
【００２２】
なお、本願において「膜電極接合体」とは、固体高分子電解質膜、固体高分子電解質膜を挟持する１対の触媒層と、を少なくとも有する積層体を意味する。
【００２３】
本発明の固体高分子型燃料電池においては、少なくとも一方の触媒層が、膜電極接合体の構成要素が積層される方向、すなわち厚さ方向に触媒層（１）および触媒層（２）が積層された２以上の層からなる。
【００２４】
触媒層（１）および触媒層（２）からなる触媒層において、セパレータ側に配置された層を触媒層（２）とし、この触媒層（２）が、ガスの供給を促進するためのクラックを有する。一方、高分子電解質膜側に配置された層を触媒層（１）とし、この触媒層（１）は、ガスの供給を促進するためのクラックを有さない。
【００２５】
このように、燃料極側または酸素極側の少なくとも一方の触媒層を、触媒層（１）および触媒層（２）を含む２以上の層からなる積層構造とし、セパレータ側に配置された触媒層（２）には、クラックを設ける。クラックにより、セパレータに設けられたガス流路を通じて供給されたガスの拡散性が向上し、触媒層に配置された触媒粒子へ、効率よくガスが供給される。また、クラックにより、触媒層における電池反応により生成した水が、セパレータ側に効率よく排除されうる。
【００２６】
一方、高分子電解質膜１１０と接している触媒層（１）には、ガスの供給を促進するためのクラックが形成されない。クラックを有さない触媒層の存在により、電子移動パスが確保され、触媒層の電子移動抵抗の増大が最小限に抑制される。
【００２７】
このように、触媒層を２以上の層からなる積層構造とし、セパレータ側に配置された触媒層（２）によってガス拡散および生成水排出機能の向上を図り、高分子電解質膜側に配置された触媒層（１）によって電子電動機能の確保を図ることにより、触媒層に含まれる触媒粒子に反応ガスが効率的に供給され、かつ、触媒層の電子移動抵抗の増大が最小限に抑制される。
【００２８】
本発明の触媒層では、触媒層（１）および触媒層（２）を含む２以上の層からなる積層構造とし、さらに、電極反応を促進させる触媒粒子の平均粒子径を、前記触媒層（１）および前記触媒層（２）のうちの少なくとも一方においてセパレータのガス流路の入口側から出口側に向かって大きくする構成を有する。
【００２９】
電極反応により生成した水分、および、セパレータに設けられたガス流路を通じて供給されたガスに含まれる水分は、触媒層において停留しやすく、触媒層においてガス流路の入口側から出口側に向かって停留する水分量が多くなる。触媒粒子の溶解は、水分の多い箇所で起こり易く、乾燥している箇所では殆ど起こらない。このため、燃料電池の耐久性の低下の要因となる触媒粒子の溶解は、ガス流路の入口側から出口側に向かうにつれて著しく生じる傾向がある。触媒層においてガス流路の入口側の触媒粒子の溶解が少なくても、出口側の触媒粒子の溶解が大きいことに起因して、電池全体の発電性能が低下する傾向がある。
【００３０】
また、粒子径の小さい触媒粒子は、比表面積が大きく高い触媒活性が得られるのに対して、粒子径の大きい触媒粒子は耐溶解性に優れる。触媒層において、触媒粒子の溶解が生じ難い部位に粒子径の小さい触媒粒子を配置するとともに、触媒粒子の溶解が生じ易い部位に粒子径の大きい触媒粒子を配置することにより、高い触媒活性を維持しつつ、触媒層における粒子径の大きい触媒粒子を効率的に抑制することができるのである。
【００３１】
本発明の触媒層では、触媒層（１）および触媒層（２）を含む２以上の層からなる積層構造とし、触媒粒子の平均粒子径の他に、さらに、触媒粒子の担体として用いられるカーボン担体の結晶性をセパレータのガス流路の入口側から出口側に向かって高くする構成を有する。
【００３２】
上述した通り、電極反応により生成した水分、および、セパレータに設けられたガス流路を通じて供給されたガスに含まれる水分は、触媒層においてガス流路の入口側から出口側に向かって停留する水分量が多くなる。カーボン担体の腐食は、水を酸化剤として進行する。このため、燃料電池の耐久性の低下の要因となるカーボン担体の腐食は、ガス流路の入口側から出口側に向かうにつれて著しく生じる傾向がある。電極触媒層においてガス流路の入口側のカーボン担体の腐食が少なくても、出口側のカーボン担体の腐食が大きいことに起因して、電池全体の発電性能が低下する傾向がある。
【００３３】
また、結晶性の低いカーボン担体は、比表面積が大きく触媒粒子を高分散担持させることができるのに対して、結晶性の高いカーボン担体は耐食性に優れる。触媒層において、カーボン担体の腐食が生じ難い部位に結晶性の低いカーボン担体を配置するとともに、カーボン担体の腐食が生じ易い部位に結晶性の高いカーボン担体を配置することにより、高い触媒活性を維持しつつ、触媒層におけるカーボン担体の腐食を効率的に抑制することができるのである。
【００３４】
このように、本発明の第一の固体高分子型燃料電池では、触媒層を２以上の層からなる積層構造とし、触媒層（１）および／または（２）において、触媒粒子の粒子径を触媒層において所定の方向に向かって高くするとともに、カーボン担体の結晶性を所定の方向に向かって高くすることにより、触媒層において電子伝導性および触媒活性の確保ならびにガス拡散性の向上と同時に、燃料電池の起動停止サイクルが繰返されることにより発生するカーボン担体の腐食、および、燃料電池の起動停止サイクル時にセル電圧が貴電位（約０．８Ｖ以上）となった際に発生する触媒粒子の溶出を抑制することが可能となる。従って、本発明によれば、高い発電性能を長期にわたって維持することができる固体高分子型燃料電池を提供することができる。
【００３５】
続いて、本発明の第一のＰＥＦＣにおける触媒層が有する構成について説明する。
【００３６】
触媒層は、電極反応を媒介する触媒粒子が配置される部位である。触媒層は、一般的には、カーボン担体に触媒粒子が担持されてなる電極触媒、および、プロトン伝導性の固体高分子電解質を含む。
【００３７】
本発明においては、燃料極側および酸素極側の少なくとも一方に配置された触媒層は、触媒層（１）および触媒層（２）の少なくとも二層が積層されてなる。少なくとも２層からなる触媒層において、クラックを有する触媒層（２）がセパレータ側に配置され、クラックを有さない触媒層（１）が高分子電解質膜側に配置される。
【００３８】
前記触媒層は三層以上の層が積層されていてもよく、このとき、触媒層（２）がセパレータ側の最外層に配置され、触媒層（１）が固体高分子電解質膜側に配置され、前記触媒層（１）および前記触媒層（２）の間にさらに触媒層（３）などの他の層が配置されればよい。前記触媒層（３）としては、例えば、触媒層（１）の空隙率と触媒層（２）の空隙率の間の空隙率を有する触媒層といった構成を有するものなどが挙げられる。
【００３９】
従来一般的なＰＥＦＣの触媒層では、電極触媒間の隙間からなり、大きさが直径数ｎｍ〜数百ｎｍ程度である空孔を有する。この空孔に対して、本発明における「クラック」とは、図１に示すように所定の大きさのひび割れを意味する。従って、前記触媒層（１）は電極触媒間などにより形成される空孔を有し、前記触媒層（２）は前記空孔の他、さらにクラックを有する。このようにクラックが触媒層に存在することにより、供給されたガスを触媒層の面方向および積層方向の双方に効率的に拡散するのを促進させることが可能となる。
【００４０】
前記クラックは、燃料ガスや酸化剤ガスの供給が促進されるのであれば、形状や大きさについては特に限定されない。前記クラックの直径は、好ましくは数十ｎｍ〜数十μｍであり、より好ましくは数百ｎｍ〜数十μｍである。なお、クラックの直径とは、クラックが有する空隙部の直径を意味する。このクラックの直径はマイクロスコープ等の観察により測定できる。
【００４１】
前記触媒層（２）の空隙率は、前記触媒層（１）の空隙率の１．５〜３．０倍とするのが好ましく、より好ましくは２．０〜３．０倍とするのがよい。これにより、触媒層のガス拡散性、排水性、発電性能をより向上させることができる。
【００４２】
前記触媒層（１）の空隙率は特に制限されないが、電子伝導性を確保する観点からは、好ましくは１０〜６０％、より好ましくは２０〜５０％とするのがよい。
【００４３】
前記触媒層（２）の空隙率は、特に限定されないが、ガスの供給を効果的に促進し、触媒の利用率を大きく低下させないためには、好ましくは３０〜８０％、より好ましくは５０〜８０％程度の空隙率を有しているとよい。
【００４４】
前記触媒層（１）および（２）の空隙率は、ＳＥＭ写真からの計測及び水銀ポロシメーターを用いることによって測定できる。
【００４５】
本発明では、さらに、前記触媒層（１）および前記触媒層（２）のうちの少なくとも一方においてセパレータのガス供給路のガスの入口側から出口側に向かって、触媒粒子の平均粒子径を大きくするが、さらに、触媒層（１）および（２）を有する触媒層のセパレータ側から固体高分子電解質膜側に向かって触媒層に含まれる触媒粒子の平均粒子径を大きくするのが好ましい。これにより、触媒層の触媒粒子の溶解が生じ易い部位に耐溶解性の高い触媒粒子を配置することができ、よりＰＥＦＣの耐久性を向上させることができる。
【００４６】
触媒層に含まれる触媒粒子の平均粒子径を触媒層のセパレータ側から固体高分子電解質膜側に向かって高くするには、より好ましくは、触媒層（１）に含まれる触媒粒子の平均粒子径を触媒層（２）に含まれる触媒粒子の平均粒子径よりも大きくするのがよい。これにより、触媒層における触媒粒子の平均粒子径を容易に調整することができる。また、前記触媒層（１）および前記触媒層（２）の間にさらに他の触媒層（３）などが存在することにより、触媒層が三層以上となっている場合には、前記触媒層（２）から前記触媒層（１）に向かって触媒粒子の平均粒子径が大きくなるように触媒層（３）に含まれる触媒粒子の平均粒子径を調整すればよい。
【００４７】
触媒粒子の平均粒子径は、触媒層の前記ガス流路の入口側から出口側に向かって、より好ましくはさらにセパレータ側から固体高分子電解質膜側に向かって、段階的に大きくなってもよく、漸増してもよい。なかでも、触媒層の製造、触媒層における触媒粒子の平均粒子径の制御などが容易であることから、触媒粒子の平均粒子径は、段階的に大きくなるのがよい。
【００４８】
所定の各平均粒子径を有する触媒粒子は、触媒層（１）および／または触媒層（２）において所定の方向に向かって粒子径が大きくなるように、それぞれ配置される。触媒層（１）および／または触媒層（２）において、各平均粒子径を有する触媒粒子が触媒層において含まれる範囲は、得られるＰＥＦＣの耐久性、発電性能などを考慮して適宜決定すればよい。
【００４９】
好ましい一実施形態としては、例えば、膜電極接合体の面方向に向かって触媒層を二つ以上の領域にわける図２に示す構成が挙げられる。図２は、触媒層１２０の模式図であり、膜電極接合体の面方向（矢印Ａ）に向かって、触媒層（１）を二つの領域、すなわち入口側触媒層（１−１）１２１ｉと出口側触媒層（１−２）１２１ｅに別け、これと同様にして、触媒層（２）も入口側触媒層（２−１）１２２ｉと出口側触媒層（２−２）１２２ｅに別ける。所定の平均粒子径を有する触媒粒子を、入口側触媒層（１−１）１２１ｉ、出口側触媒層（１−２）１２１ｅ、入口側触媒層（２−１）１２２ｉ、および出口側触媒層（２−２）１２２ｅにそれぞれ含ませるのがよい。そして、前記触媒層を固体高分子型燃料電池に組み込む際に、入口側触媒層（１−１、２−１）をセパレータのガス流路入口側に近接するように配置し、出口側触媒層（１−２、２−２）をセパレータのガス流路出口側に近接するように配置すればよい。
【００５０】
前記触媒層（１）が入口側触媒層（１−１）および出口側触媒層（１−２）の少なくとも二層からなるとき、隣接する層との触媒粒子の平均粒子径の差は、好ましくは０．１〜３．０ｎｍ、より好ましくは０．１〜２．０ｎｍとするのがよい。
【００５１】
また、前記触媒層（２）が入口側触媒層（２−１）および出口側触媒層（２−２）の少なくとも二層からなるとき、隣接する層との触媒粒子の平均粒子径の差は、好ましくは０．１〜３．０ｎｍ、より好ましくは０．１〜２．０ｎｍとするのがよい。
【００５２】
各層における触媒粒子の平均粒子径として、具体的には、前記入口側触媒層（２−１）に含まれる前記触媒粒子の平均粒子径を、好ましくは２〜４ｎｍ、より好ましくは２〜３ｎｍとし、前記出口側触媒層（２−２）に含まれる前記触媒粒子の平均粒子径を、好ましくは２．５〜５ｎｍ、より好ましくは２．５〜４ｎｍとするのがよい。
【００５３】
また、前記入口側触媒層（１−１）に含まれる前記触媒粒子の平均粒子径を、好ましくは２．５〜５ｎｍ、より好ましくは２．５〜４ｎｍとし、前記出口側触媒層（１−２）に含まれる前記触媒粒子の平均粒子径を、好ましくは４〜６ｎｍ、より好ましくは４〜５ｎｍとするのがよい。このとき、前記触媒粒子の平均粒子径は、前記入口側触媒層（１−１）よりも前記出口側触媒層（１−２）の方が大きく、前記入口側触媒層（２−１）よりも前記入口側触媒層（１−１）の方が大きく、前記入口側触媒層（２−１）よりも前記入口側触媒層（２−２）の方が大きく、前記出口側触媒層（２−２）よりも前記出口側触媒層（１−２）の方が大きくするのがよい。
【００５４】
なお、触媒層における触媒粒子の平均粒子径は、触媒担持カーボンのＴＥＭ写真からの計測及びＸＲＤ測定により測定できる。
【００５５】
触媒層（１）における入口側触媒層（１−１）と出口側触媒層（１−２）との範囲、触媒層（２）における入口側触媒層（２−１）と出口側触媒層（２−２）との範囲は得られる固体高分子型燃料電池の耐久性を考慮して決定すればよい。
【００５６】
入口側触媒層（２−１）は、触媒層（２）の全体に対して、好ましくは３０〜６０体積％、より好ましくは４０〜５０体積％とするのがよい。
【００５７】
また、入口側触媒層（１−１）は、触媒層（１）の全体に対して、好ましくは３０〜６０体積％、より好ましくは４０〜５０体積％とするのがよい。
【００５８】
また、上記では、ガス流路の流れ方向に向かって触媒層（１）および（２）を二つの領域に分割したが、さらに、ガス流路の流れ方向に向かって触媒層（１）および／または（２）を３つ以上の領域に分割してもよい。この場合、入口側触媒層（１−１、２−１）および出口側触媒層（１−２、２−２）の間に他の層が配置されればよく、入口側触媒層（１−１、２−１）から出口側触媒層（１−２、２−２）に向かって触媒粒子の平均粒子径が大きくなるようにすればよい。
【００５９】
本発明では、さらに、前記触媒層（１）および前記触媒層（２）のうちの少なくとも一方においてセパレータのガス供給路のガスの入口側から出口側に向かって、カーボン担体の結晶性を高くする。
【００６０】
本発明では、触媒層（１）および／または（２）に含まれるカーボン担体の結晶性を、触媒層のセパレータのガス供給路におけるガスの入口側から出口側に向かって高くするが、さらに、触媒層（１）および（２）を有する触媒層のセパレータ側から固体高分子電解質膜側に向かって触媒層に含まれるカーボン担体の結晶性を高くするのが好ましい。これにより、触媒層のカーボン担体の腐食が生じ易い固体高分子電解質膜側に耐食性の高いカーボン担体を配置することができ、よりＰＥＦＣの耐久性を向上させることができる。
【００６１】
触媒層に含まれるカーボン担体の結晶性を触媒層のセパレータ側から固体高分子電解質膜側に向かって高くするには、より好ましくは、触媒層（１）に含まれるカーボン担体の結晶性を触媒層（２）に含まれるカーボン担体の結晶性よりも高くするのがよい。これにより、触媒層におけるカーボン担体の結晶性を容易に調整することができる。また、前記触媒層（１）および前記触媒層（２）の間にさらに他の触媒層（３）などが存在することにより、触媒層が三層以上となっている場合には、前記触媒層（２）から前記触媒層（１）に向かってカーボン担体の結晶性が高くなるように触媒層（３）に含まれるカーボン担体の結晶性を調整すればよい。
【００６２】
前記カーボン担体の結晶性は、カーボン担体のグラファイト化により容易に調整することができる。
【００６３】
前記カーボン担体のグラファイト化は、熱処理など、従来一般的に用いられているものであれば特に限定されない。前記熱処理は、窒素、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガス雰囲気下で行うのが好ましい。また、熱処理温度、熱処理時間は、用いるカーボン担体の材質によって異なるが、２，０００〜３，０００℃で、５〜２０時間程度行えばよい。
【００６４】
このようにグラファイト化などによりカーボン担体の結晶性が向上するとともに、カーボン担体の比表面積は小さくなり、カーボン担体の比表面積はカーボン担体の結晶性の指標となる。すなわち、本発明の触媒層の好ましい形態としては、触媒層における前記カーボン担体の比表面積が、前記ガス流路の入口側から出口側に向かって、かつ、セパレータ側から固体高分子電解質膜側に向かって小さくなる形態となる。
【００６５】
このとき、カーボン担体の比表面積は、触媒層の前記ガス流路の入口側から出口側に向かって、より好ましくはさらにセパレータ側から固体高分子電解質膜側に向かって、段階的に小さくなってもよく、漸減してもよい。なかでも、触媒層の製造、触媒層におけるカーボン担体の結晶性の制御などが容易であることから、カーボン担体の比表面積は、段階的に小さくなるのがよい。
【００６６】
所定の比表面積を有するカーボン担体は、触媒層（１）および／または触媒層（２）において所定の方向に向かって結晶性が高くなるように、それぞれ配置される。触媒層（１）および／または触媒層（２）において、各カーボン担体が触媒層において含まれる範囲は、得られるＰＥＦＣの耐久性、発電性能などを考慮して適宜決定すればよい。
【００６７】
好ましい一実施形態としては、例えば、膜電極接合体の面方向に向かって触媒層を二つ以上の領域に別ける上述した図２に示す構成が挙げられる。図２は、触媒層１２０の模式図であり、膜電極接合体の面方向（矢印Ａ）に向かって、触媒層（１）を二つの領域、すなわち入口側触媒層（１−１）１２１ｉと出口側触媒層（１−２）１２１ｅに別け、これと同様にして、触媒層（２）も入口側触媒層（２−１）１２２ｉと出口側触媒層（２−２）１２２ｅに別ける。上記した各比表面積を有するカーボン担体を、入口側触媒層（１−１）１２１ｉ、出口側触媒層（１−２）１２１ｅ、入口側触媒層（２−１）１２２ｉ、および出口側触媒層（２−２）１２２ｅにそれぞれ含ませるのがよい。
【００６８】
前記触媒層（１）が入口側触媒層（１−１）および出口側触媒層（１−２）の少なくとも二層からなるとき、隣接する層とのカーボン担体の比表面積の差は、好ましくは１３０〜７００ｍ２／ｇ、より好ましくは７０〜２００ｍ２／ｇとするのがよい。
【００６９】
また、前記触媒層（２）が入口側触媒層（２−１）および出口側触媒層（２−２）の少なくとも二層からなるとき、隣接する層とのカーボン担体の比表面積の差は、好ましくは２００〜８００ｍ２／ｇ、より好ましくは３００〜５００ｍ２／ｇとするのがよい。
【００７０】
各層におけるカーボン担体の比表面積として、具体的には、入口側触媒層（２−１）に含まれるカーボン担体の比表面積を、好ましくは４００〜１２００ｍ２／ｇ、より好ましくは６００〜９００ｍ２／ｇとし、出口側触媒層（２−２）に含まれるカーボン担体の比表面積を、好ましくは２００〜９００ｍ２／ｇ、より好ましくは２５０〜３５０ｍ２／ｇとする。このとき、カーボン担体の結晶性は、入口側触媒層（２−１）よりも出口側触媒層（２−２）の方が小さくなるようにするのがよい。
【００７１】
また、入口側触媒層（１−１）に含まれるカーボン担体の比表面積を、好ましくは２００〜９００ｍ２／ｇ、より好ましくは２５０〜３５０ｍ２／ｇとし、出口側触媒層（１−２）に含まれるカーボン担体の比表面積を、好ましくは７０〜２５０ｍ２／ｇ、より好ましくは１００〜２００ｍ２／ｇとする。このとき、カーボン担体の結晶性は、入口側触媒層（２−１）よりも出口側触媒層（２−２）の方が小さくなるようにするのがよい。このとき、前記カーボン担体の比表面積は、前記入口側触媒層（１−１）よりも前記出口側触媒層（１−２）の方が小さく、前記入口側触媒層（２−１）よりも前記入口側触媒層（１−１）の方が小さく、前記出口側触媒層（２−２）よりも前記出口側触媒層（１−２）の方が小さくするのがよい。
【００７２】
なお、本発明においてカーボン担体の比表面積とは、窒素吸着により測定したＢＥＴ法により測定した値とする。
【００７３】
また、上記では、膜電極接合体の面方向に向かって触媒層（１）および（２）を二つの領域に分割したが、さらに、膜電極接合体の面方向に向かって触媒層（１）および／または（２）を３つ以上の領域に分割してもよい。この場合、入口側触媒層（１−１、２−１）および出口側触媒層（１−２、２−２）の間に他の層が配置されればよく、入口側触媒層（１−１、２−１）から出口側触媒層（１−２、２−２）に向かってカーボン担体の比表面積が小さくなるようにすればよい。
【００７４】
セパレータにおけるガス流路の入口側から出口側に向かって、触媒粒子の平均粒子径およびカーボン担体の結晶性が大きくなるのは、触媒層（１）および触媒層（２）の少なくとも一方であればよいが、カーボン担体の腐食および触媒粒子の溶出が起こり易い触媒層（１）で適用されるのがより好ましくは、最も好ましくは触媒層（１）および触媒層（２）の双方である。これにより、固体高分子型燃料電池の耐久性をより向上させることができる。
【００７５】
本発明の触媒層は、上述したカーボン担体に触媒粒子が担持された電極触媒の他に、固体高分子電解質を少なくとも含む。
【００７６】
前記触媒層において、セパレータ側から固体高分子電解質膜側に向かって固体高分子電解質の含有量が多くなっているのが好ましい。この時、触媒層における固体高分子電解質の含有量は、段階的に多くなってもよく、漸増してもよい。触媒層の製造、および、固体高分子電解質量の制御の容易さからいうと、段階的に多くなっているのがよい。従って、触媒層（１）における固体高分子電解質の含有量が、触媒層（２）における固体高分子電解質の含有量よりも大きくするのが好ましい。
【００７７】
触媒層における固体高分子電解質量が増加すると、プロトン移動抵抗が減少する。このため、固体高分子電解質膜に近接する部位においては、固体高分子電解質の濃度を上昇させることによって、十分なプロトン伝導性が確保される。一方、固体高分子電解質量が多いと、ガス拡散性や排水性は低下する虞がある。このため、セパレータに近接する部位においては、固体高分子電解質の濃度を低下させて、ガス拡散性および排水性を確保するとよい。
【００７８】
触媒層（１）および触媒層（２）における固体高分子電解質の含有量の差は、好ましくは０〜７質量％、より好ましくは０〜３質量％とするのがよい。
【００７９】
具体的には、触媒層（１）における固体高分子電解質の含有量を、触媒層（１）の総重量（触媒金属＋カーボン担体＋高分子電解質）に対して、好ましくは２７〜３２質量％、より好ましくは２８〜３１質量％とし、触媒層（２）における固体高分子電解質の含有量を、触媒層（２）の総重量（触媒金属＋カーボン担体＋高分子電解質）に対して、好ましくは２６〜３１質量％、より好ましくは２７〜３０質量％とするのがよい。
【００８０】
前記触媒層（２）の厚さは、触媒層に供給されたガスの拡散性および生成水の排出性を向上させる観点からは、前記触媒層（１）の厚さ以上であるのが好ましい。
【００８１】
前記触媒層（２）の厚さは、触媒層に供給されたガスの拡散性および生成水の排出性を向上させる観点からは、前記触媒層（１）の厚さ以上であるのが好ましい。
【００８２】
より好ましくは、前記触媒層（２）の厚さが、前記触媒層（１）の厚さの１．０〜７．５、さらに１．０〜５．０倍、特に１．５〜３．０倍である。このような構成であれば、ガス拡散および生成水の排出の双方が効果的に進行する。電子移動パスは、比較的薄い層であっても十分に確保されるため、前記触媒層（１）の厚さが比較的薄くてもよい。前記触媒層（１）および前記触媒層（２）のそれぞれ厚は、平均膜厚として算出され、例えば、測定される膜を９分割して、９つの領域の各断面からＳＥＭ写真を用いて膜厚を測定した際の、平均値として算出される。
【００８３】
具体的には、前記触媒層（２）の厚さは、好ましくは４〜１５μｍ、より好ましくは６〜１０μｍである。前記触媒層（１）の厚さは、好ましくは２〜７μｍ、より好ましくは２〜５μｍである。前記触媒層（１）の総膜厚をこの範囲にすることで、発電反応に必要な触媒量が確保される。また、電池サイズの増大や電子移動抵抗の増大が抑制される。
【００８４】
前記触媒層（２）と前記触媒層（１）とを有する触媒層の総膜厚は、好ましくは５０μｍ以下である。触媒層全体の厚さが薄すぎると、電極反応に必要な触媒量を十分に確保できなくなる虞、および、電池性能や寿命特性が低下する虞がある。一方、触媒層の厚さが厚すぎると、発電性能が低下する虞がある。したがって、電池性能や寿命特性を考慮して、触媒層の厚みが決定されるべきである。
【００８５】
本発明のＰＥＦＣにおいて、触媒層（１）および触媒層（２）を含む２以上の層からなる積層構造とし、さらに、触媒粒子の担体として用いられる触媒粒子の平均粒子径を、セパレータのガス流路の入口側から出口側に向かって高くする構成を有する上述した触媒層は、燃料極触媒層および酸素極触媒層のうち少なくとも一方に用いられればよい。なかでも、水分の停留が生じてカーボン担体の腐食が生じ易い酸素極触媒層に用いられるのが好ましく、より好ましくは図１に示すように、燃料極触媒層および酸素極触媒層の双方に用いられるのがよい。
【００８６】
次に、本発明の第二の固体高分子型燃料電池について説明する。なお、本発明の第二の固体高分子型燃料電池は、触媒層が、触媒層（１）および触媒層（２）を含む２以上の層からなる積層構造を有し、さらに、前記触媒層（１）および前記触媒層（２）のうちの少なくとも一方においてカーボン担体の結晶性および触媒粒子中の白金合金粒子の含有率が、セパレータのガス流路の入口側から出口側に向かって高くなることを特徴とするものである。
【００８７】
本発明の第二の固体高分子型燃料電池は、前記触媒層（１）および／または前記触媒層（２）においてセパレータのガス流路の入口側から出口側に向かって、触媒粒子の平均粒子径が大きくなる構成に代わって、触媒粒子中の白金合金粒子の含有率が高くなる構成を有する以外は、本発明の第一の固体高分子型燃料電池に用いられる２以上の層からなる触媒層が有する構成と同様である。従って、以下では、本発明の第一の固体高分子型燃料電池と相違する箇所についてのみ説明する。すなわち、前記触媒層（１）および／または前記触媒層（２）においてセパレータのガス流路の入口側から出口側に向かって触媒粒子中の白金合金粒子の含有率が高くなる構成についてのみ説明する。
【００８８】
前記触媒層（１）および／または前記触媒層（２）において、電極反応を促進させる触媒粒子として白金粒子および白金合金粒子を用いる。白金粒子は高い触媒活性が得られるのに対して、白金合金粒子は耐溶解性に優れる。前記触媒層（１）および／または前記触媒層（２）において、触媒粒子の溶解が生じ難い部位に白金粒子を配置するとともに、触媒粒子の溶解が生じ易い部位に白金合金粒子を配置することにより、高い触媒活性を維持しつつ、触媒層における粒子径の大きい触媒粒子を効率的に抑制することができるのである。
【００８９】
このように、本発明の第二の固体高分子型燃料電池では、触媒層を２以上の層からなる積層構造とし、さらに、白金合金粒子の含有率を前記触媒層（１）および／または（２）において所定の方向に向かって高くすることにより、触媒層において電子伝導性および触媒活性の確保ならびにガス拡散性の向上と同時に、燃料電池の起動停止サイクル時に発生する触媒粒子の溶出を抑制することが可能となる。従って、本発明によれば、高い発電性能を長期にわたって維持することができる固体高分子型燃料電池を提供することができる。
【００９０】
セパレータのガス供給路のガスの入口側から出口側に向かって、触媒層（１）および／または（２）に含まれる白金合金粒子の含有率を高くするが、さらに、触媒層（１）および／または（２）を有する触媒層のセパレータ側から固体高分子電解質膜側に向かって触媒層に含まれる白金合金粒子の含有率を高くするのが好ましい。これにより、触媒層の触媒粒子の溶解が生じ易い部位に耐溶解性の高い白金合金粒子を配置することができ、よりＰＥＦＣの耐久性を向上させることができる。
【００９１】
触媒層に含まれる白金合金粒子の含有率を触媒層のセパレータ側から固体高分子電解質膜側に向かって高くするには、より好ましくは、触媒層（１）に含まれる白金合金粒子の含有率を触媒層（２）に含まれる白金合金粒子の含有率よりも大きくするのがよい。これにより、触媒層における白金合金粒子の含有率を容易に調整することができる。また、前記触媒層（１）および前記触媒層（２）の間にさらに他の触媒層（３）などが存在することにより、触媒層が三層以上となっている場合には、前記触媒層（２）から前記触媒層（１）に向かってカーボン担体の結晶性が高くなるように触媒層（３）に含まれるカーボン担体の結晶性を調整すればよい。
【００９２】
白金合金粒子の含有率は、触媒層の前記ガス流路の入口側から出口側に向かって、より好ましくはさらにセパレータ側から固体高分子電解質膜側に向かって、段階的に大きくなってもよく、漸増してもよい。なかでも、触媒層の製造、触媒層におけるカーボン担体の結晶性の制御などが容易であることから、白金合金粒子の含有率は、段階的に大きくなるのがよい。
【００９３】
触媒層（１）および／または触媒層（２）において、所定の含有率で白金合金粒子含まれる範囲は、得られるＰＥＦＣの耐久性、発電性能などを考慮して適宜決定すればよい。
【００９４】
好ましい一実施形態としては、例えば、膜電極接合体の面方向に向かって触媒層を二つ以上の領域にわける図２に示す上記したのと同様の構成が挙げられる。図２は、触媒層１２０の模式図であり、膜電極接合体の面方向（矢印Ａ）に向かって、触媒層（１）を二つの領域、すなわち入口側触媒層（１−１）１２１ｉと出口側触媒層（１−２）１２１ｅに別け、これと同様にして、触媒層（２−１）も入口側触媒層（２−２）１２２ｉと出口側触媒層（１）１２２ｅに別ける。所定の含有率となるように白金合金粒子を、入口側触媒層（１−１）１２１ｉ、出口側触媒層（１−２）１２１ｅ、入口側触媒層（２−１）１２２ｉ、および出口側触媒層（２−１）１２２ｅにそれぞれ含ませるのがよい。そして、前記触媒層を固体高分子型燃料電池に組み込む際に、入口側触媒層（１−１、２−１）をセパレータのガス流路入口側に近接するように配置し、出口側触媒層（１−２、２−２）をセパレータのガス流路出口側に近接するように配置すればよい。
【００９５】
各層における触媒粒子中の白金合金粒子の含有率として、具体的には、前記入口側触媒層（２−１）に含まれる前記触媒粒子中の前記白金合金粒子の含有率を、好ましくは２０質量％未満、より好ましくは０〜１０質量％とし、前記出口側触媒層（２−２）に含まれる前記触媒粒子中の前記白金合金粒子の含有率を、好ましくは１０〜５０質量％、より好ましくは２０〜４０質量％とするのがよい。
【００９６】
このとき、前記触媒粒子中の前記白金合金粒子の含有率は、前記入口側触媒層（２−１）よりも前記出口側触媒層（２−２）の方を高くするのがよい。
【００９７】
また、前記入口側触媒層（１−１）に含まれる前記触媒粒子中の前記白金合金粒子の含有率を、好ましくは１０〜５０質量％、より好ましくは２０〜４０質量％とし、前記出口側触媒層（１−２）に含まれる前記触媒粒子中の前記白金合金粒子の含有率を、好ましくは３０〜１００質量％、より好ましくは６０〜１００質量％とするのがよい。
【００９８】
このとき、前記触媒粒子中の前記白金合金粒子の含有率が、前記入口側触媒層（１−１）よりも前記出口側触媒層（１−２）の方が高く、前記入口側触媒層（２−１）よりも前記入口側触媒層（１−１）の方が高く、前記出口側触媒層（２−２）よりも前記出口側触媒層（１−２）の方が高くするのがよい。
【００９９】
なお、触媒層における触媒粒子中の白金合金粒子の含有率は、各触媒層を形成する際に調製する触媒インク内へのＰｔ担持カーボンとＰｔ合金担持カーボンの添加量を秤量し、そこから計算して求める。
【０１００】
触媒層（１）における入口側触媒層（１−１）と出口側触媒層（１−２）との範囲、触媒層（２）における入口側触媒層（２−１）と出口側触媒層（２−２）との範囲は得られる固体高分子型燃料電池の耐久性を考慮して決定すればよい。
【０１０１】
入口側触媒層（２−１）は、触媒層（２）の全体に対して、好ましくは３０〜６０体積％、より好ましくは４０〜５０体積％とするのがよい。
【０１０２】
また、入口側触媒層（１−１）は、触媒層（１）の全体に対して、好ましくは３０〜６０体積％、より好ましくは４０〜５０体積％とするのがよい。
【０１０３】
また、上記では、ガス流路の流れ方向に向かって触媒層（１）および（２）を二つの領域に分割したが、さらに、ガス流路の流れ方向に向かって触媒層（１）および（２）を３つ以上の領域に分割してもよい。この場合、入口側触媒層（１−１、２−１）および出口側触媒層（１−２、２−２）の間に他の触媒層が配置されればよく、入口側触媒層（１−１、２−１）から出口側触媒層（１−２、２−２）に向かって白金合金粒子の含有率が大きくなるようにすればよい。
【０１０４】
セパレータにおけるガス流路の入口側から出口側に向かって白金合金粒子の含有率およびカーボン担体の結晶性が高くなるのは、触媒層（１）および触媒層（２）の少なくとも一方であればよいが、触媒粒子の溶出が起こり易い触媒層（１）に少なくとも適用されるのがより好ましく、最も好ましくは触媒層（１）および触媒層（２）の双方である。これにより、固体高分子型燃料電池の耐久性をより向上させることができる。
【０１０５】
本発明の第一および第二のＰＥＦＣは、触媒層が、触媒層（１）および触媒層（２）を有し、カーボン担体の結晶性の他、触媒粒子の平均粒子径または白金合金粒子の含有率がそれぞれ上述した構成を有する点を除いては、従来のＰＥＦＣにおいて用いられていた材料が、同様に用いられうる。以下に、本発明の第一および第二のＰＥＦＣに用いられる固体高分子電解質膜、触媒層などの構成材料について、簡単に説明するが、例示する材料や形状に、これらの材料が限定されるわけではなく、従来公知のものが適宜用いられる。
【０１０６】
固体高分子電解質膜は、プロトン伝導性を有する高分子膜である。固体高分子電解質膜としては各種の材料が提案されている。例えば、デュポン社製の各種のＮａｆｉｏｎ（デュポン社登録商標）やフレミオンに代表されるパーフルオロスルホン酸膜、ダウケミカル社製のイオン交換樹脂膜、エチレン−四フッ化エチレン共重合体樹脂膜、トリフルオロスチレンをベースポリマーとする樹脂膜などのフッ素系高分子電解質や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂系膜など、一般的に市販されている固体高分子型電解質膜、高分子微多孔膜に液体電解質を含浸させた膜、多孔質体に高分子電解質を充填させた膜などを用いてもよい。
【０１０７】
前記固体高分子電解質膜の厚さは、得られるＭＥＡの特性を考慮して適宜決定すればよいが、好ましくは５〜３００μｍ、より好ましくは１０〜２００μｍ、特に好ましくは１５〜１５０μｍである。製膜時の強度やＭＥＡ作動時の耐久性の観点から５μｍ以上であることが好ましく、ＭＥＡ作動時の出力特性の観点から３００μｍ以下であることが好ましい。
【０１０８】
触媒層は、触媒粒子がカーボン担体に担持されてなる電極触媒と、固体高分子電解質とを少なくとも含む。
【０１０９】
前記カーボン担体としては、触媒粒子を所望の分散状態で担持させるための比表面積を有し、集電体として十分な電子導電性を有しているものであればよく、主成分がカーボンであるのが好ましい。具体的には、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛などからなるカーボン粒子が挙げられる。高い比表面積および導電性に優れることからカーボンブラックが好ましく用いられる。
【０１１０】
前記カーボン担体の形状は、特に制限されないが、触媒粒子を高分散担持させるには粒子状であるのが望ましい。前記カーボン粒子の平均粒子径は、電極触媒を用いて作製する電極触媒層の厚みを適切な範囲で制御するという観点からは、５〜２００ｎｍ、好ましくは１０〜１００ｎｍ程度とするのがよい。
【０１１１】
電極触媒に用いられる触媒粒子としては、水素の酸化反応および／または酸素の還元反応に触媒作用を有することが求められ、少なくとも白金粒子が好ましく用いられる。また、触媒粒子は、耐溶解性、触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、白金と、その他の金属との合金とからなる白金合金粒子してもよい。前記合金として、具体的には、白金と、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、およびアルミニウムなどから選択される少なくとも１種以上の金属との合金などが挙げられる。
【０１１２】
なかでも、耐溶解性の観点からは、白金合金粒子は、白金と、コバルト、ルテニウム、イリジウムから選択される少なくとも１種以上の金属との合金が好ましく挙げられる。前記合金の組成は、合金化する金属の種類にもよるが、白金が３０〜９０原子％、合金化する金属が１０〜７０原子％とするのがよい。
【０１１３】
なお、合金とは、一般に金属元素に１種以上の金属元素または非金属元素を加えたものであって、金属的性質をもっているものの総称である。合金の組織には、成分元素が別個の結晶となるいわば混合物である共晶合金、成分元素が完全にとけ合い固溶体となっているもの、成分元素が金属間化合物または金属と非金属との化合物を形成しているものなどがあり、本願ではいずれであってもよい。
【０１１４】
触媒層には、電極触媒の他に、固体高分子電解質が含まれる。前記固体高分子電解質としては、特に限定されず公知のものを用いることができるが、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であればよい。具体的には、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標、デュポン社製）、Ｆｌｅｍｉｏｎ（登録商標、旭硝子株式会社製）、Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標、旭化成株式会社製）などのスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体、リン酸などの無機酸を炭化水素系高分子化合物にドープさせたもの、一部がプロトン伝導性の官能基で置換された有機／無機ハイブリッドポリマー、高分子マトリックスにリン酸溶液や硫酸溶液を含浸させたプロトン伝導体、などが挙げられる。
【０１１５】
本発明のＰＥＦＣは、固体高分子電解質膜の両側に、一対の触媒層、すなわち燃料極触媒層および空気極触媒層が配置されてなる膜電極接合体を有するが、さらに、燃料極触媒層および空気極触媒層の外側にガス拡散層（ＧＤＬ）が配置されてもよい。
【０１１６】
ＧＤＬに用いられる材料としては、カーボンペーパ、カーボンクロス、不織布、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルトなどからなるシート状材料が提案されている。ＧＤＬには、電子伝導性、撥水性などの機能も求められる。ＧＤＬが優れた電子伝導性を有していると、発電反応により生じた電子の効率的な運搬が達成され、燃料電池の性能が向上する。また、ＧＤＬが優れた撥水性を有していると、生成した水が効率的に排出される。
【０１１７】
高い撥水性を確保するために、ＧＤＬを構成する材料を撥水化処理する技術も提案されている。例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのフッ素系樹脂を含む溶液中にカーボンペーパなどのＧＤＬを構成する材料を含浸させ、大気中または窒素などの不活性ガス中で乾燥させる。場合によっては、親水化処理が、ＧＤＬを構成する材料に施されてもよい。乾燥後に、カーボンブラック粉末とＰＴＦＥ等により形成されるカーボン層を配置しても良い。
【０１１８】
ＧＤＬは、性能を向上させるために各種改良が施されても良い。例えば、カーボン繊維織布シート状材料の表面に、フッ素樹脂とカーボンブラックからなる層を形成することによって、ＧＤＬのガス拡散性や対圧縮性の向上が図られても良い（例えば、特開平１０−２６１４２１号公報、特開平１１−２７３６８８号公報参照）。
【０１１９】
本発明の固体高分子型燃料電池に用いられるセパレータとしては、緻密カーボングラファイト、炭素板等のカーボン製や、ステンレス等の金属製のものなど、従来公知のものであれば制限なく用いることができる。セパレータは、酸化剤ガスと燃料ガスとを分離する機能を有するものであり、それらの流路を確保するためのガス流路を有するのがよい。セパレータの厚さや大きさ、ガス流路の形状などについては、特に限定されず、得られる燃料電池の出力特性などを考慮して適宜決定すればよい。セパレータにおけるガス流路の形状としては、蛇行状の他、セパレータの一端から他端に向かって直線状となるものなどが挙げられる。
【０１２０】
本発明のＰＥＦＣには、上記したものの他にも、必要に応じて種々の部材が設置されうる。例えば、ＰＥＦＣに供給されたガスの外部へのリークを防ぐガスケットが配置される。
【０１２１】
本発明の固体高分子型燃料電池では、固体高分子型燃料電池が所望する電圧等を得られるように、セパレータを介して膜電極接合体を複数積層して直列に繋いだスタックを形成してもよい。燃料電池の形状などは、特に限定されず、所望する電圧などの電池特性が得られるように適宜決定すればよい。
【０１２２】
本発明の固体高分子型燃料電池の用途としては特に制限されない。本発明の固体高分子型燃料電池は、自動車などの車両に用いられるのがよい。自動車などの車両は、起動停止が頻繁に繰返されることにより燃料電池のカーボン担体の腐食が生じ易いだけでなく、渋滞時や市街地走行時などにおいてセル電圧が高い状態（約０．８０Ｖ以上）での電圧変動（負荷変動）が頻繁に起こり触媒粒子の溶解が生じ易い。本発明の固体高分子型燃料電池は、上述した通り、カーボン担体の耐腐食性および触媒粒子の耐溶出性に優れることから、自動車などの車両における駆動用電源として用いられることにより性能をより高く発揮することが可能となる。
【０１２３】
以下に、本発明のＰＥＦＣに用いられる、触媒層（１）および触媒層（２）からなる触媒層の製造方法として好ましい一実施形態を挙げて説明する。
【０１２４】
まず、クラックを有しない触媒層（１）を作製するための触媒スラリーを調製する。前記触媒スラリーには、触媒層を構成する材料、例えば、電極触媒、固体高分子電解質などが配合される。前記スラリーに用いられえる溶媒としては、水、および／または、メタノール、エタノールなどのアルコール系溶媒などが挙げられる。
【０１２５】
前記触媒スラリーは撥水性基材などの所定のシート上に塗布および乾燥させた後に、得られた触媒層（１）を固体高分子電解質膜の表面に転写させてもよいし、固体高分子電解質膜の表面にスラリーを直接塗布してもよい。撥水性基材上に形成された塗膜は、高分子電解質膜上にホットプレスにより転写される。ホットプレスの後、撥水性基材は剥がされる。
【０１２６】
触媒層（１）においてクラックの発生を抑制するためには、触媒スラリーを塗布する基材として多孔質なものは用いない方がよい。さらに、前記触媒スラリーを撥水性基材または固体高分子電解質膜上に１回で塗布する厚さを薄くして塗布した後に乾燥させる工程を繰り返し、所望の厚さを有する触媒層を作製するのがよい。
【０１２７】
このとき、塗布方法としては特に制限されず、ダイコーター法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、スプレー法など、公知の方法を用いて行うことができる。塗布したスラリーの乾燥は、２０〜２５℃で、０．５〜２時間程度行えばよい。
【０１２８】
次に、クラックを有する触媒層（２）の作製方法としては、上記と同様にして調製した触媒スラリーを、撥水性基材、ガス拡散層に用いられるカーボンペーパなどの基材上に塗布および乾燥させる方法が用いられる。
【０１２９】
触媒層（２）においてクラックを発生させるために、前記触媒スラリーを塗布する基材は、多孔質なものを用いるのがよい。具体的には、ガス拡散層に用いられるカーボンペーパなどが好ましく用いられる。このように多孔質な基材を用いることで、触媒スラリーの乾燥状態にバラツキができ、乾燥が速い部位に体積収縮が生じることで乾燥が遅い部位が引っ張られ、クラックが生じるものと考えられる。前記触媒スラリーの乾燥温度は、２０〜２５℃程度であればよい。
【０１３０】
また、塗布した触媒スラリーを乾燥させる際の乾燥温度を調整することによっても、触媒層（２）におけるクラックを発生させることができる。具体的には、撥水性基材、ガス拡散層などの基材上に塗布した触媒スラリーを、７０〜１００℃程度で加熱乾燥させるのがよい。
【０１３１】
さらに、前記触媒スラリーに、ショウノウなどの発泡剤を添加することによっても得られる触媒層（２）にクラックを発生させることができる。
【０１３２】
本発明の第一の固体高分子型燃料電池では、触媒層において、セパレータのガス流路の入口側から出口側に向かって、カーボン担体の結晶性の他、触媒粒子の平均粒子径を大きくする。かような触媒層を作製するには、触媒インクを調製する際に、カーボン担体の結晶性および触媒粒子の平均粒子径が異なる電極触媒を含む触媒インクを複数調製し、各触媒インクを塗布する部位を調節する方法などを用いればよい。
【０１３３】
本発明の第二の固体高分子型燃料電池では、触媒層において、セパレータのガス流路の入口側から出口側に向かって、カーボン担体の結晶性の他、白金合金粒子の含有率が高くなる。かような触媒層を作製するには、上記と同様にして、触媒インクを調製する際に、カーボン担体の結晶性および白金合金粒子の含有率が異なる電極触媒を含む触媒インクを複数調製し、各触媒インクを塗布する部位を調節する方法などを用いればよい。
【実施例】
【０１３４】
以下、本発明について実施例を用いて説明するが、本発明の技術的範囲は、以下の実施例に限定されない。
【０１３５】
（実施例１）
１．触媒層インクの調製
カーボン担体（ケッチェンブラック、比表面積約８００ｍ２／ｇ）上に白金粒子（平均粒子径２．５ｎｍ、担持量約４７質量％）が担持された電極触媒１に対し、純水２．５重量部、５ｗｔ％ナフィオンＴＭ溶液を９重量部、１−プロパノール１重量部を混合し、ホモジナイザーで分散混合させ、触媒層インクＡを調製した。
【０１３６】
次に、カーボン担体（ケッチェンブラック）を、窒素ガス雰囲気、１３００℃、約８時間で、熱処理したカーボン担体（比表面積約３００ｍ２／ｇ）上に白金粒子（平均粒子径約３．２ｎｍ、担持量約４７質量％）を担持した電極触媒２に対し、純水２．５重量部、５ｗｔ％ナフィオンＴＭ溶液を９重量部、１−プロパノール１重量部を混合し、ホモジナイザーで分散混合させ、触媒層インクＢを調製した。
【０１３７】
次に、カーボン担体（ケッチェンブラック）を、窒素ガス雰囲気、２０００℃、約１０時間で、熱処理したカーボン担体（比表面積約１２０ｍ２／ｇ）上に白金粒子（平均粒子径約４．５ｎｍ、担持量約４７質量％）を担持した電極触媒３に対し、純水２．５重量部、５ｗｔ％ナフィオンＴＭ溶液を９重量部、１−プロパノール１重量部を混合し、ホモジナイザーで分散混合させ、触媒層インクＣを調製した。
【０１３８】
２．酸素極触媒層の作製
上記の通りに調製した触媒層インクＡ、触媒層インクＢ、触媒層インクＣを用いて酸素極触媒層を形成した。本実施例では酸素極触媒層の構造を二層構造とするため、以下では、触媒層（１）、触媒層（２）を作製した。
【０１３９】
まず、触媒層（１）を、厚さ０．０８ｍｍのテフロンシート上に、スクリーンプリンターを用いて形成した。触媒インクの塗布面積を全体で５０ｍｍ×５０ｍｍとし、そのうちの５０ｍｍ×２５ｍｍの部分に触媒層インクＢを塗布し、残りの５０ｍｍ×２５ｍｍを触媒層インクＣに塗布した後、約２５℃で約１時間乾燥させた。これにより、クラックが形成されていない触媒層（１）（厚さ約４μｍ、空隙率約３５体積％）を得た。
【０１４０】
次に、触媒層（２）を、ガス拡散層として用いるカーボン層（カーボンブラック＋ＰＴＦＥ粒子）付きカーボンペーパ（厚さ約３００μｍ、大きさ５２ｍｍ×６３ｍｍ）上に、テーブルコーターを用いて形成した。触媒インクの塗布面積を全体で触媒層１と同様に５０ｍｍ×５０ｍｍとし、そのうち５０ｍｍ×２５ｍｍの部分に触媒層インクＡを塗布し、残りの５０ｍｍ×２５ｍｍの部分に触媒層インクＢを塗布した後、約２５℃で約１時間乾燥させた。これにより、クラックが形成された触媒層（２）（厚さ約８μｍ、空隙率約７０％）を得た。なお、前記カーボン層上の所定の部分のみ触媒層インク塗布するため、所定の大きさの開口部を有するマスクを用いて触媒インクを塗布した。
【０１４１】
３．燃料極触媒層の作製
次に、燃料極触媒層を、厚さ０．０８ｍｍのテフロンシート上の５０ｍｍ×５０ｍｍの部分に、スクリーンプリンターを用いて上記調製した触媒層インクＡを塗布し、約２５℃、約１時間乾燥させた。これにより、クラックが形成されていない燃料極触媒層（厚さ約１０μｍ、空隙率約３５％）の厚さを得た。
【０１４２】
４．ＰＥＦＣの作製
触媒層（１）を形成したテフロンシート、および、燃料極触媒層を形成したテフロンシートで、固体高分子電解質膜（ＮａｆｉｏｎＴＭ１１１、厚さ２５μｍ、大きさ７２ｍｍ×７２ｍｍ）を挟みこみ、１５０℃で１０分間ホットプレスすることで、触媒層（１）と燃料極触媒層とを一体化し、さらに、テフロンシートを剥がした後に触媒層１の上に触媒層２を配置し（このときに、触媒層（１）における触媒層インクＣで塗布された部分と、触媒層（２）における触媒層インクＢで塗布された部分が接するようにした）、燃料極触媒層の上にカーボン層（カーボンブラック＋ＰＴＦＥ粒子）付きカーボンペーパ（厚さ約３００μｍ、大きさ５２ｍｍ×６３ｍｍ）を配置し、それらを一体化して膜電極接合体（ＭＥＡ）を作製した。
【０１４３】
膜電極接合体を１対のセパレータで挟持し、ＰＥＦＣの単セルを作製した。なお、前記セパレータには、サーペンタイン型ガス供給路が設けられており、触媒層（１）における触媒層インクＢで塗布された部分と、触媒層（２）における触媒層インクＡで塗布された部分とが、ガス供給路の入口側に近接するようにし、触媒層（１）における触媒層インクＣで塗布された部分と、触媒層（２）における触媒層インクＢで塗布された部分とが、ガス供給路の出口側に近接するようにして、膜電極接合体を１対のセパレータで教示した。
【０１４４】
５．評価
上記で作製したＰＥＦＣの初期発電特性および耐久性の評価を下記手順に従って行った。
【０１４５】
（１）初期発電特性
セル温度：７０℃、燃料極：水素（６０％ＲＨ、利用率６７％）、酸化剤極：空気（５０％ＲＨ、利用率４０％）、供給ガスは加圧せずに測定した。この条件下で発電試験を行い、０．２Ａ/ｃｍ２と、１．０Ａ/ｃｍ２における初期セル電圧を測定した。結果を表１に示す。
【０１４６】
（２）耐久性１
セル温度、供給ガスの加湿条件は、初期発電特性と同条件とした。発電：３分、停止３分のサイクルを行い、１０００サイクル後のセル電圧を測定し、１０００サイクル後のセル電圧と初期セル電圧との差（Δ）で耐久性の比較を行った。
【０１４７】
上記発電時の条件は、供給ガス流量は燃料極には２６０ｃｃ／ｍｉｎの純水素を、酸化剤極には１０５０ｃｃ／ｍｉｎの空気を供給した。また、０Ａから１Ａ／ｃｍ２までの負荷上昇時間を３０秒とした。
【０１４８】
停止中のガス条件を以下に示す。燃料電池の発電終了後、電流負荷をＯＦＦにすると同時に、燃料極には１００ｃｃ／ｍｉｎの無加湿の空気を供給し、酸化剤極はガスの供給をせず、この状態を２分３０秒間保持。その後、電流負荷をＯＦＦの状態のまま、燃料極には２６０ｃｃ／ｍｉｎの水素を、酸化剤極には１０５０ｃｃ／ｍｉｎの空気を供給した。結果を表２に示す。
【０１４９】
（３）耐久性２
セル温度：７０℃、燃料極：水素（１００％ＲＨ、５００ｃｃ／ｍｉｎ）、酸化剤極：窒素（１００％ＲＨ、５００ｃｃ／ｍｉｎ）、供給ガスは加圧せずに測定した。この条件下において、ポテンショスタットを用い、燃料極に対して酸化剤極に０．６Ｖの電位を３０秒印加した後に０．９５Ｖの電位を３０秒印加するのを１サイクルとして、１００００サイクル後のセル電圧を測定し、１００００サイクル後のセル電圧と初期セル電圧との差（Δ）で耐久性の比較を行った。結果を表３に示す。
【０１５０】
（実施例２）
熱処理したカーボン担体上に白金粒子（平均粒子径約３．２ｎｍ、担持量約４７質量％）を担持した電極触媒４  ０．８重量部、熱処理したカーボン担体上に白金−コバルト合金粒子（平均粒子径約４ｎｍ、担持量約５０質量％、Ｐｔ：Ｃｏ質量比３：１）を担持した電極触媒５  ０．２重量部、純水２．５重量部、５ｗｔ％ナフィオンＴＭ溶液を９重量部、１−プロパノール１重量部を混合し、ホモジナイザーで分散混合させ、触媒層インクＢ’を調製した。なお、電極触媒４および電極触媒５において、熱処理したカーボン担体は、カーボン担体（ケッチェンブラック）を、窒素ガス雰囲気、１３００℃、約８時間で熱処理した用い、比表面積約３００ｍ２／ｇであった。
【０１５１】
次に、熱処理したカーボン担体上に白金粒子（平均粒子径約４．５ｎｍ、担持量約４７質量％）を担持した電極触媒６  ０．１重量部、熱処理したカーボン担体上に白金−コバルト合金粒子（平均粒子径約５．２ｎｍ、担持量約５０質量％、Ｐｔ：Ｃｏ質量比３：１）を担持した電極触媒７  ０．９重量部、純水２．５重量部、５ｗｔ％ナフィオンＴＭ溶液を９重量部、１−プロパノール１重量部を混合し、ホモジナイザーで分散混合させ、触媒層インクＣ’を調製した。なお、電極触媒６および電極触媒７において、熱処理したカーボン担体としては、カーボン担体（ケッチェンブラック）を、窒素ガス雰囲気、２０００℃、約１０時間で熱処理したものを用い、比表面積約１２０ｍ２／ｇであった。
【０１５２】
触媒インクＢに代わって触媒インクＢ’を用い、触媒インクＣに代わって触媒インクＣ’を用いた以外は、実施例１と同様にしてＰＥＦＣを作製し、これを評価した。結果を表１〜３に示す。
【０１５３】
（実施例３）
カーボン担体（Ｖｕｌｃａｎ  ＸＣ−７２、比表面積約２７０ｍ２／ｇ）上に白金粒子（平均粒子径約３ｎｍ、担持量約４７質量％）を担持した電極触媒８  １重量部、純水２．５重量部、５ｗｔ％ナフィオンＴＭ溶液を９重量部、１−プロパノール１重量部を混合し、ホモジナイザーで分散混合させ、触媒層インクＢ’’を調製した。
【０１５４】
次に、カーボン担体（アセチレンブラック、比表面積約１００ｍ２／ｇ）上に白金粒子（平均粒子径約４．１ｎｍ、担持量約４７質量％）を担持した電極触媒１０  １重量部、純水２．５重量部、５ｗｔ％ナフィオンＴＭ溶液を９重量部、１−プロパノール１重量部を混合し、ホモジナイザーで分散混合させ、触媒層インクＣ’’を調製した。
【０１５５】
触媒インクＢに代わって触媒インクＢ’’を用い、触媒インクＣに代わって触媒インクＣ’’を用いた以外は、実施例１と同様にしてＰＥＦＣを作製し、これを評価した。結果を表１〜３に示す。
【０１５６】
（実施例４）
カーボン担体（Ｖｕｌｃａｎ  ＸＣ−７２、比表面積約２７０ｍ２／ｇ）上に白金粒子（平均粒子径約３ｎｍ、担持量約５０質量％）を担持した電極触媒１１  ０．８重量部、カーボン担体（Ｖｕｌｃａｎ  ＸＣ−７２、比表面積約２７０ｍ２／ｇ）上に白金−コバルト合金粒子（平均粒子径約４ｎｍ、担持量約５０質量％、Ｐｔ：Ｃｏ質量比３：１）を担持した電極触媒１２  ０．２重量部、純水２．５重量部、５ｗｔ％ナフィオンＴＭ溶液を９重量部、１−プロパノール１重量部を混合し、ホモジナイザーで分散混合させ、触媒層インクＢ’’’を調製した。
【０１５７】
次に、カーボン担体（アセチレンブラック、比表面積約１００ｍ２／ｇ）上に白金粒子（平均粒子径約４．１ｎｍ、担持量約５０質量％）を担持した電極触媒１３  ０．１重量部、カーボン担体（アセチレンブラック、比表面積約１００ｍ２／ｇ）上に白金−コバルト合金粒子（平均粒子径約５ｎｍ、担持量約５０質量％、Ｐｔ：Ｃｏ質量比３：１）を担持した電極触媒１４  ０．９重量部、純水２．５重量部、５ｗｔ％ナフィオンＴＭ溶液を９重量部、１−プロパノール１重量部を混合し、ホモジナイザーで分散混合させ、触媒層インクＣ’’’を調製した。
【０１５８】
触媒インクＢに代わって触媒インクＢ’’’を用い、触媒インクＣに代わって触媒インクＣ’’’を用いた以外は、実施例１と同様にしてＰＥＦＣを作製し、これを評価した。結果を表１〜３に示す。
【０１５９】
（比較例１）
実施例１と同様にして調製した触媒層インクＡを、厚さ０．０８ｍｍのテフロンシート上の５０ｍｍ×５０ｍｍの部分に、スクリーンプリンターを用いて塗布して約２５℃、約１時間乾燥させ、この塗布および乾燥工程を６回繰り返すことにより、クラックが形成されていない触媒層（厚さ１２μｍ、空隙率約３５％）を得た。
【０１６０】
上記の通りにして触媒層が形成されたテフロンシートを二枚用いて触媒層が内側となるようにして、固体高分子電解質膜（ＮａｆｉｏｎＴＭ１１１、厚さ２５μｍ、大きさ７２ｍｍ×７２ｍｍ）を挟みこみ、１５０℃で１０分間ホットプレスすることで、触媒層と固体高分子電解質膜とを一体化し、これをさらにカーボン層（カーボンブラック＋ＰＴＦＥ粒子）付きカーボンペーパ（厚さ約３００μｍ、大きさ５２ｍｍ×６３ｍｍ）二枚用いて挟持して膜電極接合体を作製した。
【０１６１】
前記膜電極接合体を用いて実施例１と同様にしてＰＥＦＣを作製し、これを評価した。結果を表１〜３に示す。
【０１６２】
（比較例２）
実施例１と同様にして調製した触媒層インクＡを、カーボン層（カーボンブラック＋ＰＴＦＥ粒子）付きカーボンペーパ（厚さ約３００μｍ、大きさ５２ｍｍ×６３ｍｍ）上の５０ｍｍ×５０ｍｍの部分に、スクリーンプリンターを用いて塗布して４０℃で１０分間、６０℃で２０分間乾燥させ、この塗布および乾燥工程を６〜８回繰り返すことにより、クラックが形成された触媒層（厚さ１２μｍ、空隙率約３５％）を形成した。
【０１６３】
上記の通りにして触媒層が形成されたカーボンペーパを二枚用いて触媒層が内側となるようにして、固体高分子電解質膜（ＮａｆｉｏｎＴＭ１１１、厚さ２５μｍ、大きさ７２ｍｍ×７２ｍｍ）を挟みこみ、１５０℃で１０分間ホットプレスすることで、触媒層と固体高分子電解質膜とを一体化して膜電極接合体を作製した。
【０１６４】
前記膜電極接合体を用いて実施例１と同様にしてＰＥＦＣを作製し、これを評価した。結果を表１〜３に示す。
【０１６５】
【表１】
2006344428.tif 000003
【０１６６】
【表２】
2006344428.tif 000004
【０１６７】
【表３】
2006344428.tif 000005
【図面の簡単な説明】
【０１６８】
【図１】本発明の第一および第二の固体高分子型燃料電池の断面模式図を示す。
【図２】本発明の第一および第二の固体高分子型燃料電池に用いられる触媒層の模式図を示す。
【符号の説明】
【０１６９】
１００…膜電極接合体、
１１０…高分子電解質膜、
１２０、１２０ａおよび１２０ｃ…触媒層、
１２１ａおよび１２１ｃ…触媒層（２）、
１２２ａおよび１２２ｃ…触媒層（１）、
１２１ｉ…入口側触媒層（１−１）、
１２１ｅ…出口側触媒層（１−２）、
１２２ｉ…入口側触媒層（２−１）、
１２２ｅ…出口側触媒層（２−２）、
１２３ａおよび１２３ｃ…クラック、
１４０ａおよび１４０ｃ…セパレータ、
１４１…ガス供給路、
１５０…固体高分子型燃料電池。
【図１】
2006344428.tif 000006
【図２】
2006344428.tif 000007